Dissolution d’un gaz dans un liquide








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titreDissolution d’un gaz dans un liquide
date de publication27.03.2017
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SECONDE ACADEMIE DE VERSAILLES

PLONGEE SOUS-MARINE



Cette ressource permet d’aborder deux problématiques à partir de la situation d’étude proposée.

1. L’influence d’une profondeur de 30 m sur la pression dans l’eau.

2. Les conséquences physiologiques des gaz dissous dans le corps.

Indications pour le professeur 




  • Dans le programme de la classe visée

La pratique du sport

Notions et contenus

Compétences attendues

La pression : la pression est une grandeur physique qui permet de comprendre l’influence de l’altitude sur les performances sportives et les effets physiologiques ressentis en plongée subaquatique.




Pression dans un liquide au repos, influence de la profondeur.
Dissolution d’un gaz dans un liquide.






Savoir que la différence de pression entre deux points d’un liquide dépend de la différence de profondeur.

Savoir que la quantité maximale de gaz dissous dans un volume donné de liquide augmente avec la pression.

Pratiquer une démarche expérimentale pour établir un modèle à partir d’une série de mesures.








  • Pré requis du collège

  • L’eau peut contenir des gaz dissous. L’eau est un solvant de certains gaz (5°).

  • De l’air qui nous entoure à la molécule : la pression est une grandeur qui se mesure avec un manomètre (4°)

  • Remarques et conseils

Cette activité peut être précédée d’une présentation qualitative de la notion de pression dans un liquide.

  • Les compétences liées à la démarche scientifique

La grille proposée est directement inspirée du préambule du programme de l'enseignement commun de la classe de seconde.

La démarche scientifique

Rechercher, extraire et organiser l’information utile.

Réaliser, manipuler, mesurer

Concevoir et mettre en œuvre un protocole

Mobiliser des connaissances.

Présenter la démarche suivie et les résultats obtenus, communiquer à l'écrit et à l'oral.

Fiche élève

SITUATION DE DEPART :


Un groupe de jeunes, inscrits dans un club pour passer les brevets de la Fédération Française d’Études et de Sports Sous-marins, est appelé à se pencher sur une étude de cas dans le cadre de la formation.

Il leur est  nécessaire d’acquérir certaines notions scientifiques, car une bonne compréhension de ces lois permet de bien intégrer les règles de sécurité.

Un groupe de pratiquants effectue une plongée sous-marine, encadré par des animateurs.

Equipés de bouteilles de plongée, ils plongent par petits groupes, lorsque subitement ils sont surpris par le courant de la marée descendante.

Aidés par les sauveteurs de la plage, chacun est repêché et ramené sur le rivage, sauf Michel.

Après une demi-heure de recherche, il est repéré, inconscient et évacué en ambulance vers une unité de soins intensifs pour être traité en caisson hyperbare. Sur les lieux, les amis de Michel discutent à propos de l’accident.
- Bénédicte : « Il était avec moi à près de 30 mètres sous l’eau, sa bouteille de gaz n’était pas vide ».

- Rayan : « Depuis combien de temps ? »

- Bénédicte : « Environ 20 minutes. »

- Julien : « Oui mais………pourquoi est-il remonté si vite?  »

- Rayan : « Le détendeur a bien été vérifié. »

- Bénédicte : « J’espère que ce ne sera pas trop grave. »

- Julien : « J’aimerais savoir ce qui s’est réellement passé. »

L’objectif est d’essayer de comprendre ce qu’il s’est passé en étudiant :

1. L’influence d’une profondeur de 30 m sur la pression dans l’eau.

2. Les conséquences physiologiques des gaz dissous dans le corps.

ETUDE AU LABORATOIRE DE L’EVOLUTION DE LA PRESSION EN FONCTION DE LA PROFONDEUR

Vous disposez du matériel suivant

  • Eprouvette graduée de 250 mL graduée du haut vers le bas (cm par cm).

  • Manomètre muni d’un tuyau plastique rallongé par un tube de verre.

  • Tableur (Régressi ou Excel).

Proposer un protocole permettant de répondre à la première problématique.

ETUDE AU LABORATOIRE DE la variation de dissolution des gaz en fonction de la pression

Vous disposez du matériel suivant

  • seringue hermétiquement fermée

  • eau pétillante.

Proposer un protocole permettant de répondre à la deuxième problématique.

Faire l’analogie avec le phénomène observé lors de l’ouverture d’une bouteille de soda.
Ressource documentaire (D’après cours de plongée FFESSM)
A l’aide du schéma ci- dessous, le professeur pourra expliquer un des dangers de la plongée concernant la dissolution de diazote dans les tissus et dans le sang.

En début de plongée, la pression ambiante augmente avec la profondeur. Notre corps se trouve en état de sous-saturation : les tissus corporels ne sont plus saturés d’azote dissous. Par l'intermédiaire des alvéoles pulmonaires (surface d'échange gazeux), le sang dans un premier temps, ensuite les autres tissus, vont dissoudre une certaine quantité d'azote pour tendre vers un nouvel équilibre.

A la remontée, la pression ambiante diminue. Notre corps est en état de sur-saturation : la quantité maximale de diazote dissous dans le sang est alors dépassée. Si la remontée se fait lentement, le diazote excédentaire, formant des microbulles inoffensives, va être reconduit par le sang jusqu'aux alvéoles pulmonaires où il va être éliminé par la respiration. Si la diminution de pression ambiante est trop importante (remontée trop rapide, ou non respect des paliers) il peut se former des bulles de tailles plus importantes qui pourraient entraver la circulation sanguine (accident de décompression).
Schéma explicatif:

  • Dans la bouteille du plongeur, le "+" symbolise la quantité d’azote dissous dans l’organisme du plongeur.

  • Dans l’eau à côté du plongeur, le "+" symbolise la quantité d’azote susceptible de se dissoudre dans les tissus et le sang du plongeur compte tenu de la pression à la profondeur où il est situé.





Observons les différentes étapes :

  •  LA SATURATION : Le plongeur est à l’état d’équilibre.

  • LA SUR-SATURATION : Le plongeur remonte normalement (plongeur rouge sur le schéma). Il remonte lentement et effectue ses paliers. Quand il sort de l’eau, le plongeur est toujours en état de sursaturation.

  • LA SUR-SATURATION CRITIQUE : Le Plongeur remonte anormalement (plongeur bleu sur le schéma), il n’a pas le temps d’éliminer correctement l’azote excédentaire. Les bulles de gaz s’évacuent se forment dans l’organisme du plongeur. Au-delà de cette sursaturation critique, il se produit un dégazage anarchique, menant le plongeur à un accident inévitable.

Documents ressources :

vidéo « C’est pas Sorcier » : Un bol d’air dans le grand bleu.

www.aix-mrs.iufm.fr/formations/.../fi/.../plongee_docs.doc -

www.ulb.ac.be/eau/docs/decroly/txtdecrolyz.pdf


Document professeur



PROTOCOLE EXPERIMENTAL POSSIBLE :
La pression dépend-elle de la profondeur ?

Pour vérifier cette hypothèse mettre en œuvre l’expérimentation suivante :

  1. Matériel :

  • Eprouvette graduée de 250 mL (graduation du haut vers le bas cm par cm).

  • Manomètre muni d’un tuyau plastique rallongé par un tube de verre.

  • Tableur (Régressi ou Excel).



  1. Expérience

  • Mettre de l’eau dans l’éprouvette graduée.

  • Plonger le manomètre comme indiqué sur la figure.

  • Faire varier progressivement la profondeur d’immersion.

  • A chaque mesure (tous les 2 ou 3 cm), relever la pression.

  • Consigner vos résultats dans un tableau.



Remarque : On peut prendre une règle en papier graduée dont le zéro sera mis à la surface du liquide ou garder l’éprouvette graduée.

  1. Exploitation :

  • En utilisant un tableur, représenter graphiquement les points obtenus.

  • Proposer un modèle rendant compte de l’évolution de la pression en fonction de la profondeur dans l’eau.

  • Trouver l’équation de la courbe après modélisation.

  • Conclure sur la valeur de la pression à 30 m de profondeur.



PROTOCOLE EXPERIMENTAL POSSIBLE :
La dissolution d’un gaz dans un liquide dépend-elle de la pression ?

  1. Expérience : Dans le piston de la seringue on verse de l’eau gazeuse

  2. Observation : On observe des bulles de gaz quand on tire sur le piston de la seringue.

  3. Analogie avec une bouteille de soda que l’on ouvre et conclusion.

  4. Conclusion sur les effets physiologiques des gaz dissous dans le corps.

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